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电气论文基于MATLAB的电力系统短路故障仿真于分析


摘要:本次的课程设计是结合《电力系统分析》的课程教学进行的一个实践仿
真课程。电力系统短路故障中,故障电流中一定有零序分量的存在,零序分量是 可以用来判断故障的类型以及故障的地点等, 零序分量作为电力系统继电保护中 的一个重要分析量。运用 Matlab 软件中电力系统仿真程序 SimPowerSystems 工 具搭建模型并设计出要求所给的电力系统模型, 并在此模型的基

础上对电力系统 中的故障进行仿真,如果仿真波形与理论分析的结果相符合,说明用 Matlab 对 电力系统故障分析是可行的。在实际中有时无法对故障进行实验分析,所以进行 仿真实验可达到预期的效果。

关键词: 电力系统; 仿真; 短路故障分析; 短路电压; 短路电流; Matlab; SimPowerSystems

Abstract: The course design is a combination of power system analysis of the theoretical teaching, practical courses. Power system short-circuit fault, the fault current must be zero sequence component exists, and zero-sequence component can be used to determine the fault type, fault location, the zero-sequence component as a critical analysis of power system protection. SimPowerSystems Toolbox building design requirements to the power system model using Matlab power system simulation program, and on this basis, the power system fault simulation, the simulation waveforms with the theoretical analysis results match, indicating that the power system fault analysis using Matlab effectiveness. Practice can not fault the experiment, the simulation can achieve the desired effect. Keywords: power system; simulation; failure; Matlab; SimPowerSystems

目录
一、引言 ............................................ - 2 1、故障概述 ........................................ - 2 2、故障类型 ........................................ - 2 二、电力系统模型 .................................... - 3 三、电力系统仿真模型的建立与分析 ..................... - 4 3.1 电力系统仿真模型 ............................... - 4 3.2 仿真参数设置 ................................... - 5 3.3 仿真结果分析 ................................... - 7 3.3.1 正常运行分析 ................................ - 7 3.3.2 单相接地短路故障分析 ........................ - 8 3.3.3 两相短路故障分析 ........................... - 12 3.3.4 两相接地短路故障分析 ....................... - 15 3.3.5 三相短路故障分析 ........................... - 18 四、结论 ........................................... - 21 五、参考文献 ....................................... - 21 六、心得体会 ....................................... - 22 -

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一、引言
1、故障概述
短路是电力系统中的严重故障。所谓短路,是指一切不正常的相与相之间或 相与地(对于中性点接地的系统)发生系统通路的情况。 电力系统在运行中,相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接 (即短路)时流过的电流。其值可远远大于额定电流,并取决于短路点距电源的 电气距离。例如,在发电机端发生短路时,流过发电机的短路电流最大瞬时值可 达额定电流的 10~15 倍。大容量电力系统中,短路电流可达数万安。这会对电 力系统的正常运行造成严重影响和后果 [1] 。 供电网络中发生短路时,很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用 而遭到损坏,同时使网络内的电压大大降低 ,因而破坏了网络内用电设备的正常 工作. 为了消除或减轻短路的后果 , 就需要计算短路电流 , 以正确地选择电器设 备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。

2、故障类型
三相系统中发生的短路有 4 种基本类型:三相短路,两相短路,单相对地 短路和两相对地短路。其中,除三相短路时,三相回路依旧对称,因而又称对称 短路外,其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中,以一相对地的 短路故障最多,约占全部故障的 90%。在中性点非直接接地的电力网络中,短 路故障主要是各种相间短路。

为了保证电力系统运行的功能和质量,在设计、分析和研究时必须保证系统 的静态和动态特性。现代电力系统是一个超高压、大容量和跨区域的巨大的联合
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系统, 电力系统事故具有突发性强、 维持时间短、 复杂程度高、 破坏力大的特点, 因而使得事后对故障原因分析、查找变得尤其困难。由于在实际系统上进行试验 和研究比较困难, 因此借助各种电力系统动态仿真软件电力系统的设计和研究已 成为有效途径之一。 Matlab 在电力系统建模和仿真的应用主要由电力系统仿真模块(Power System Blockset 简称 PSB)来完成。Power System Block 是由 TEQSIM 公司和魁 北克水电站开发的。PSB 是在 Simulink 环境下使用的模块,采用变步长积分法, 可以对非线性、刚性和非连续系统进行精确的仿真,并精确地检测出断点和开关 发生时刻。PSB 程序库涵盖了电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科 中常用的基本元件和系统仿真模型。通过 PSB 可以迅速建立模型,并立即仿真。 PSB 程序块程序库中的测量程序和控制源起到电信号与 Simulink 程序之间连接 作用。PSB 程序库含有代表电力网络中一般部件和设备的 Simulink 程序块,通 过 PSB 可以迅速建立模型,并立即仿真。

二、电力系统模型
电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网,它包括升降压变压器和各种 电压等级的输电线路 、动力系统、电力系统和电力网简单示意如图

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三、电力系统仿真模型的建立与分析
电力系统仿真主要是对短路类型中的三相短路、 两相短路和单相接地短路的 电流、机端电压波形进行分析。利用Matlab软件中的电力系统模块库(PSB),建 立了模型,它对电力系统设备的设计和选用有一定的参考价值。同时电压电流波 形可以直观的了解,便于建立系统的观念。

3.1 电力系统仿真模型
题目要求:发电机 G :50MW、13.8kV ,保持恒定,Y 连接;变压器 T-1: 13.8/220kv;线路 L:100km,负荷 LD:5MVA 。

系统仿真模型如下:

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3.2 仿真参数设置
各元件参数设置如下: (1) 发电机参数设置 发电机额定容量为 50MVA,额定电压为 13.8KV,额定频率为 60Hz,Yg 连接, 其它采用默认值。 (2) 三相变压器参数设置 额定频率为 60Hz,一次侧电压 13.8KV,二次侧电压 220KV。其他采用默认 值。 (3) 三相输电线参数设置 线路长 100Km。 (4) 负荷参数设置 额定容量为 50MVA。 (5) 故障模块参数设置 短路故障是用三相故障元件来模拟的, 故障时间段可通过 Transition Times 来设置,设置为 0.01~0.05 秒。其余的短路故障模型可以通过修改三相故障模 块的参数设置来实现,将在以下仿真过程中进行设置。

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(a)三相交流电源 G

(b)三相测量元件

(c)三相双绕组变压器 T-1

(d)线路 L

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(e)三相故障模块

(f)负荷 LD

3.3 仿真结果分析
3.3.1 正常运行分析
正常运行时发电机输出端电压波形

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正常运行时发电机输出端电流波形

分析:电力系统未发生短路故障时,发电机端的电压和电流均成正弦变化, 三相交流电源的三相电压和电流之间相位不同,而幅值的大小是相同的。

3.3.2 单相接地短路故障分析
将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A 相故障,并选择故障 相接地选项,故障时间为0.01~0.05秒;在万用表元件中选择A 相、 B 相和C 相电
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流作为测量电气量, 激活仿真按钮。(此处以A相接地短路为例) A 相接地短路故障点三相电流:

A 相接地短路故障点三相电压:

分析:当 A 相发生接地短路时故障点 A 相电压降为零,、、非故障相即 BC 两相电压上升为线电压,其夹角为 60°。故障切除后各相电压水平较原来升高, 这是中性点电位升高导致的。

故障点各相电压:

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分析: 当输电线路发生 A 相接地短路时,B 相、C 相电压没有变化。在正常 状态时,三相短路故障发生器处于断开状态,A 相电压也不变,不为 0. 在 0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时 A 相接地短路,其短路电压波形发生了剧烈的 变化,电压降为 0.在 0. 05s 时,三相短路故障发生器打开,故障排除,此时故障点 A 相电压迅速恢复。 故障点各相电流:

分析: 当输电线路发生 A 相接地短路时,B 相、 C 相电流没有变化,始终为 0。 在正常状态时, 三相短路故障发生器处于断开状态,A 相电流为 0. 在 0. 01s 时, 三相短路故障发生器闭合,此时 A 相接地短路,其短路电流波形发生了剧烈的变 化,但大体上仍呈正弦规律变化.在 0. 05s 时,三相短路故障发生器打开,故障排 除,此时故障点 A 相电流迅速变为 0。 发生单相接地短路故障时发电机端电压波形:
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发生单相接地短路故障时发电机端电流波形:

分析:当 0.01 秒时发生单相接地短路,发电机端故障相电压下降,而两个非 故障相电压未发生变化,发电机段故障相电流未发生变化,而两个故障相电流开 始变化,振幅增大.0.05 秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢复到原来 的幅值.

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3.3.3 两相短路故障分析
将三相电路短路故障发生器中的“故障相选择”选择A 相和B相故障,并选择 故障相接地选项,故障时间为0.01~0.05秒;在万用表元件中选择A 相、B 相和C 相电流作为测量电气量, 激活仿真按钮。即发生A相和B相两相短路故障。 (以AB 两相短路为例) AB 两相短路故障点三相电流:

AB 两相短路故障点三相电压:

分析:在 A、B 两相发生短路故障时,非故障相 C 相电压波形幅值增大。A 相和 B 相电压降为 0V。C 相未发生故障,其短路电流为零.两相短路时,短路故障 点电流中没有零序分量,而正序分量与负序分量大小相等但方向相反.
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故障点各相电压:

分析:(选故障点 A 相观察)在稳态时,故障点 A 相电压由于三相电路短路故 障发生器处于断开状态,因而电压为正弦变化。在 0.01s 时,三相电路短路故障 发生器闭合,此时电路发生 A、B 两相短路,故障点 A 相电压发生变化,突变为 0V。在 0.05s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除故障。此时故障点 A 相电压波动恢复正弦波形。故障点 B 相与 A 相近似. (选故障点 C 相观察)故障点 C 相: 在稳态时, 故障点 C 相电压由于三相电路 短路故障发生器处于断开状态,因而电压为正弦变化幅值约为 5000V。在 0.01s 时,三相电路短路故障发生器闭合,此时电路发生 A、B 两相短路, C 相电压发 生变化,突变为 6000V。由图形可以得出以下结论:由于 C 相为非故障相,其电 压波形仅在两相短路期间波的幅值变大,但是波形不变。 故障点各相电流:

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分析: (选取故障点 A 相观察)在稳态时,故障点 A 相电流由于三相电路短 路故障发生器处于断开状态,因而电流幅值为 0A。在 0.01s 时,三相电路短路 故障发生器闭合,此时电路发生 A、B 两相短路,故障点 A 相电流发生变化,由 于闭合时有初始输入量和初始状态量, 因而波形下移, 呈正弦波形变化。 在 0.05s 时,三相电路短路故障发生器断开,相当于排除了故障。此时故障点 A 相电流迅 速上升为 0A。 (选取故障点 B 相观察):在稳态时,故障点 B 相电流由于三相电路短路故障 发生器处于断开状态,因而电流为 0A。在 0.01s 时,三相电路短路故障发生器 闭合,此时电路发生 A、B 两相短路,故障点 B 相电流幅值发生变化,由于闭合 时有初始输入量和初始状态量,因而波形上移,呈正弦波形变化。在 0.05s 时, 三相电路短路故障发生器断开,相当于排除故障。此时故障点 B 相电流迅速下降 为 0A。 (选取故障点 C 相观察): 在 A、B 发生两相短路时,故障点 C 相电流没有 变化,始终为 0A。同时也符合理论计算如式 2-14 可知 I fb ? 0 。

发生两相短路故障时发电机端电压:

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发生两相短路故障时发电机端电流:

分析:当 0.01 秒时发生两相短路,发电机端故障点两相电压幅值下降,而非 故障相电压幅值增大一点,但并不多,发电机段故障点两相电流幅值增大,而非故 障相电流幅值变化更大.0.05 秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢复到 原来的幅值.

3.3.4 两相接地短路故障分析
将三相短路故障发生器中“故障相选择”的A相和B 相选中,并选择故障相接 地选项;在万用表元件中选择A 相、B 相和C 相电流作为测量电气量, 激活仿真 按钮. (以AB两相接地故障为例) : AB 两相接地故障点三相电流:

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AB 两相接地故障点三相电压:

故障点各相电压:

分析:在 A 相、B 相发生接地短路时,C 相电压没有变化,但不为 0. 对于故 障相 A 相和故障相 B 相电压:在稳态时,故障点 A 相、B 相电压由于三相短路故 障发生器处于断开状态,因而电压不为 0. 在 0. 01s 时,三相短路故障发生器闭 合,此时电路发生 A 相、B 相接地短路,故障点 A 相和 B 相电压变化,变为 0. 在 0. 05s 时,三相短路故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点 A 相、B 相 电压有迅速恢复.
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故障点各相电流:

分析:在 A 相、B 相发生接地短路时,C 相电流没有变化,始终为 0. 对于故 障相 A 相和故障相 B 相电流:在稳态时,故障点 A 相、B 相电流由于三相短路故 障发生器处于断开状态,因而电流为 0. 在 0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合, 此时电路发生 A 相、B 相接地短路,故障点 A 相电流波形下移,故障点 B 相电流 波形上升,呈正弦规律变化. 在 0. 04s 时,三相短路故障发生器打开,相当于排 除故障,此时故障点 A 相、B 相电流变化为 0.

发生两相接地短路故障时发电机端电压:

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发生两相接地短路故障时发电机端电流:

分析:当 0.01 秒时发生两相接地短路,发电机端故障点两相电压幅值下降, 而非故障相电压幅值增大一点,但并不多,发电机段故障点两相电流幅值增大,而 非故障相电流幅值变化更大.0.05 秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅速恢 复到原来的幅值.但是比较两相短路不接地的情况,干扰更强一点

3.3.5 三相短路故障分析
将三相短路故障发生器中“故障相选择”的三相故障3个都选中;在万用表元 件中选择A 相、B 相和C 相电流作为测量电气量. 激活仿真按钮。 三相短路故障点三相电流:

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三相短路故障点三相电压:

故障点各相电压:

分析:在稳态时,故障相各相电压由于三相短路故障发生器处于断开状态, 因而电压不为0. 在0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短 路,故障点各相电压发生变化,故障点各相电压都降为0. 在0. 05s 时,三相短路 故障发生器打开,相当于排除故障,此时故障点各相电压迅速恢复.
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故障点各相电流:

分析:在稳态时,故障相各相电流由于三相短路故障发生器处于断开状态, 因而电流为0. 在0. 01s 时,三相短路故障发生器闭合,此时电路发生三相短路, 故障点各相电流发生变化,由于闭合时有初始输入量和初始状态量,因而故障点 各相电流波形上升或者下降. 在0. 05s 时,三相短路故障发生器打开,相当于排 除故障,此时故障点各相电流迅速下降为0.

发生三相短路故障时发电机端电压:

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发生三相短路故障时发电机端电流:

分析:当 0.01 秒时发生三相短路,发电机端故障点三相相电压幅值下降,发 电机端故障点三相电流幅值增大.0.05 秒时,故障解除,发生变化的电压和电流迅 速恢复到原来的幅值.

四、结论
在所给的电力系统中 K 处选取了不同的故障类型(三相短路、 单相接地短路、 两相短路、两相接地短路)进行仿真,比较仿真结果,结果表明运用 Matlab 对电 力系统故障进行分析与仿真,能够准确直观地考察电力系统故障的动态特性,验 证了 Matlab 在电力系统仿真中的强大功能。

五、参考文献
[1].于永源,杨绮雯.《电力系统稳态分析》[M].中国电力出版社,2007. [2] .王晶, 翁国庆, 等. 《电力系统分析的 MATLAB/SIMULINK 仿真与应用》 . 西安电子科技大学出版社. 2008. [3] .刘卫国. 《MATLAB 程序设计与应用》 [M]. 北京: 高等教育出版社, 2008.

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六、心得体会
通过本次课程设计的实训,我对电力系统故障以及 Matlab 软件 有了更深的认识。 但由于在校期间学习不扎实, 以及实践经验的缺乏, 在实训过程中有很多地方还需要好好阅读资料以及课本.但是经过这 次实训,让自己的动手能力加强了,并对所学习的课本知识进行了巩 固,这对于我来说是很好的一次机会 ,也让我更好的学习了这种仿真 软件的使用以及特点和方法.

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